貯運箱監測儀表在線綜合檢測裝置設計

趙海鷹

(92493部隊60分隊，遼寧葫蘆島市 125000)

1 引 言

貯運箱是裝備承載與發射的組成部分，箱體充有干燥空氣或氮氣，并保持適當的正壓，防止外部環境高溫、高濕氣體進入箱體，對內部裝備造成腐蝕與損壞。為了保證這些條件，貯運箱箱體通常配備了溫度、濕度和壓力傳感器或儀表，對貯運箱的內部環境進行監測，并且對于貯運箱的內部環境溫度、濕度、壓力以密封性性都要求有一定的技術標準。貯運箱要裝配的溫、濕度，壓力環境監測用儀表，通常為固定結構，全部拆卸檢定費時費力，也容易破壞整個箱體的密封結構。歷年的現場檢測表明，這些儀表的損壞和失效率較高，急需有一套便捷、高效的檢測方法、技術手段和設備，對其開展校測。本文對貯運箱技術性能與測試要求分析，結合貯運箱維護工作實際，設計與研制集壓力，溫、濕度及氣密性測試功能為一體的在線綜合檢測裝置。

2 貯運箱監測儀表檢測方法

2.1 檢測儀表在線檢測方案

由于箱體儀表不易拆卸，易損壞，重復拆卸氣密性難以保證的特點，這限制了實現嚴格按照檢定規程對貯運箱監測儀表和傳感器開展檢定。必須結合貯運箱維護工作實際，設計一套科學、合理、可行的檢測方案。按照貯運箱維護管理操作規程，需要定期對其充氣、補氣，在這一時機，進行貯運箱檢測儀表或傳感器的檢測，雖然不具備檢定規程的完整性、全面性和高可靠性，但能夠不增加破壞密封性風險，保證檢測效率條件下的優化選擇方案，采用四種方式實現儀表的在線直接校準或原位在線檢測。

(1)計量檢定與/測試方案：對貯運箱非固定式儀表，利用本裝置氣壓泵和溫濕度發生裝置控制產生標準信號，引入到適配器工作腔體，按檢定規程采用“直接比對法”實現現場檢定。

(2)現場原位在線校準/檢測方案：對固定式溫/濕度檢測儀表，將箱體通過連接管路和閥門連接起來，將箱內氣體導入到密閉適配器容器內，采樣箱體內氣體，實現狀態平衡后，同時讀取標準傳感器和被校準儀表數值，直接進行原位溫濕度單點測量。

(3)現場原位 “負壓法”檢測方案：貯運箱壓力表在線檢定，由于壓力表量程范圍較大，而貯運箱使用要求禁止施加過大壓力，不能通過加壓法實現在線檢定，通過“正負壓檢定適配器”，對適配內施加負壓，達到箱體施加正壓的效果，實現壓力表在線全量程校準。

(4)現場原位條件下“充氣法”壓力表校準方案：對不可拆卸壓力表，結合箱體維護充氣過程，利用外置高壓氮氣瓶為本系統提供氣源，本系統自動產生與控制箱體充氣過程，同時通過和箱體連通的高精度標準數字壓力傳感器，實時檢測箱體內壓力，與被檢測儀表進行比較，實現從零壓力至箱體壓力范圍內的被檢壓力表校準。

要實現這一功能，設計一體化充氣控制和在線測試裝置是關鍵。

2.2 檢測裝置總體設計

檢測裝置總體研究思路是針對貯運箱溫濕度、壓力儀表及箱體氣密性的計量特性與校準要求，研究儀表原位在線校測方法，采用計算機控制和電子測量技術，充分考慮貯運箱儀表的結構特點，研制精密氣體壓力測量與發生控制器、溫、濕度高精度測量模塊、氣密性檢測單元及自動測試軟件，實現對貯運發射箱環境參數監測儀表和傳感器的檢測。裝置總體技術方案如圖1所示。

圖1 檢測裝置總體設計方案

(1)壓力產生單元：產生壓力儀表校準和檢測用標準信號；采用GE的DPS8000高精度數字壓力傳感器作為壓力測量與控制核心單元，設計了精密自動壓力控制器，壓力響應速度快、控制精度高。對貯運箱壓力表或壓力傳感器，在箱體維護充氣過程中，從零點開始，以DPS8000高精度數字壓力傳感器為把說準，控制箱體的充氣壓力，讀取貯運箱壓力表或壓力傳感器測量結果，與DPS8000高精度數字壓力傳感器進行比較，完成貯運箱壓力表或壓力傳感器的多點全量程檢測。

(2)溫、濕度檢測單元：采用Rotronic高精度溫濕度集成化傳感器作為系統的溫度濕度測量標準，測量充入箱體的氣體的溫度和濕度，與貯運箱壓力表或壓力傳感器測量結果進行比對，實現溫度和濕度傳感器的單點檢測對比。

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(3)箱體氣密性檢測單元：設計保壓式貯運箱氣密性檢測技術方案，結合維護過程，充氣至箱體要求最大壓力時，關閉充氣功能，打開壓力測量功能，保持DPS8000高精度數字壓力傳感器和箱體連通，連續測量箱體的壓力和采集時間，對測量結果進行最小二乘法線性擬合計算，得到箱體的泄露率。

2.3 檢測裝置技術指標

a)壓力測量范圍：(-0.1～0.2)Mpa；誤差：±0.05%FS；

b)壓力控制穩定性：0.01%FS；

c)溫度測量范圍：(-5～50)℃，誤差：±0.2℃；

d)濕度測量范圍：5%RH～95%RH，誤差：±1.5%RH。

3 檢測裝置系統設計方案

一體化檢測設備硬件設計主要是壓力測量與精密控制單元的設計，精密溫濕度檢測單元及箱體的密封性檢測單元的設計；系統軟件設計的目標是實現壓力控制接口的界面設計、閥門控制的算法設計、密封性溫度補償的軟件設計等技術內容。其中，控制電路的基礎設計與其研究是多參數綜合在線計量與測試方案設計的重點與難點，決定系統的控制精度、控制穩定性和系統的響應特性。

3.1 壓力產生控制技術方案

1)模擬與數字雙閉環控制。裝置采用數字與模擬傳感器雙路閉環控制策略，提高了系統的控制準確度，增強了系統的穩定性，改善了系統的響應特性。裝置控制技術方案如圖2所示。圖2壓力產生與控制方案中，普通硅壓阻式壓力傳感器作為模擬閉環單元測量器件，形成模擬壓力負反饋，其輸出信號送入模擬控制比較器輸入端，經過壓力控制策略產生控制信號，作用于氣體執行機構，控制進氣與排氣閥門的開度和時間，調節氣容內的壓力值；普通硅壓阻傳感器短期穩定性、控制分辨率和動態響應特性較好，但模擬輸出沒有經過補償和修正，輸出壓力準確度不高，受其精度限制，裝置同時采用雙閉環控制設計，根據輸入單元設定值與數字壓力傳感器測量輸出的偏差，制定數字控制策略，給出相應的壓力控制信號，不斷對模擬壓力傳感器輸出進行修正，調整模擬壓力控制器的給定值，使氣容內的氣體環境達到給定的標準壓力值，實現壓力參數自動檢定。同時，模擬制系統中采用微分電路進行信號調理，通過獲得dP/dt壓力變化率，實現微分閉環控制功能，克服了系統PID 反饋的超調，穩定了輸出控制，提升了系統壓力產生的平穩性。

圖2 裝置控制系統技術方案

2)精密閥門控制技術。檢測裝置氣體執行單元選擇PARKER公司的比例閥門，由于傳統的比例式控制閥門的壓力輸出與溫度變化、流量與控制系統過程中的給定氣阻的比值系數大小、系統過程中的給定氣體輸入容積、當前的輸入壓力、流量、流速等密切地息息相關，具有不可確定的非線性，因此不太有可能直接得到準確的控制數學壓力模型。本裝置采用閥門組合方式，經篩選配對，設計一組比例閥門對，采用模糊控制統計算法，通過檢測實際壓力輸入變化值和實際給定數值進行對比換算，獲取壓力控制的基本信息，通過設計壓力控制與執行單元，配合系統的控制策略與算法，從而控制閥門組合，將輸入壓力逐次放大逼近至實際要求或給定值，實現了氣體壓力的精密與穩定輸出。

圖3 氣體執行單元技術方案

3.2 氣密性檢測技術方案

(1)氣密性檢測單元設計。貯運箱氣體密封性檢測單元主要由高壓氣體容器，氣泵及閥件控制系統組成；裝置采用觸屏方式完成氣體密封性檢測參數的設置，可以選擇氣泵或氣瓶加壓，自動完成加壓、保壓、氣密性檢測、疏空放氣等氣密性檢測系列操作，及測量結果的自動處理，實現測量過程自動化。

(2)線性擬合氣密性測量方法。裝置采用直壓法檢測泄漏率進行貯運箱氣體密封性測試，泄漏率的計算通常是在規定時間內采集被測箱體內的起始和終止時刻兩點的壓力值，根據公式換算獲得。兩點公式計算方法容易受測量環境條件影響，而且測量誤差較大。氣密性檢測在測量過程中，按照一定時間間隔采樣氣體壓力和溫度值，采用最小二乘法線性擬合，插值擬合兩點測量之間量值，計算擬合直線的斜率，作為泄漏率測量結果，可以改善氣密性測量結果。

3.3 系統控制程序設計方案

裝置系統設計采用STM32系列微處理器與計算機控制設計方案，微處理器接收上位計算機指令完成信號輸出、測量及控制。裝置控制流程如圖4所示。

圖4 系統程序設計方案

4 檢測裝置性能試驗

用一等活塞壓力計對裝置系統內部高精度壓力傳感器進行校準，測量結果如表1，一年測試數據顯示穩定性可達到2×10。

表1 絕壓測量校準結果

從系統組成結構分析影響壓力輸出不確定度因素主要有以下方面，一是壓力設定影響量，二是系統控制穩定性影響量，三是系統反饋環節影響量，四是隨機因素引入的重復性影響量。

(1)系統壓力值的設定由計算機和STM32微處理器通過16位AD569及12位D/A轉換器輸出，若考慮系統電壓的漂移及電壓輸出非線性影響等因素，不確定度影響量應在0.03%，系統采用雙D/A轉換電路設計，提高了測試分辨率與短期穩定性，按照有效分辨率計算不確定度影響分散性為0.0003%。

(2)控制系統不確定度有控制穩定性、控制分辨率和系統穩態響應、比較電路漂移和閉環增益決定，裝置系統控制過程包括模擬與數字兩部分，為保持壓力升降的平穩性，雙路閉環系統引入壓力變化率負反饋，克服了傳統PID控制調節的超調問題，并且采用Z-N法，依靠大量實驗數據反復調整PID控制參數，通過實驗測試獲得穩定性不確定度影響分散性為0.0025%。

(3)系統采用數字傳感器輸出為壓力控制信號，反饋部分不確定度影響量主要由數字傳感器準確度決定，根據其技術指標可知影響量的分散性為0.02%。

(4)系統輸出重復性可采用測量標準裝置對其進行反復測量獲得樣本，根據貝塞爾公式計算樣本實驗標準偏差作為重復性，通過實驗測試獲得重復性不確定度影響分散性為0.002%。

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檢測裝置溯源結果，溫濕度測量校準數據見表2和表3。

表2 溫度測量校準結果

表3 濕度測量校準結果

檢測裝置溯源結果，壓力測量校準數據見表4。

表4 壓力測量校準結果

5 結束語

裝置基于嵌入式微處理系統，采用高精度壓力敏感器件作為系統核心單元，通過比例對閥門執行機構，產生標準壓力信號，實現壓力、溫濕度及氣密性一體化測量；系統采用模擬與數字傳感器雙閉環壓力控制策略，提高了系統準確性、可靠性、穩定性；并針對不同保障對象的實際情況，設計適配器，實現多方式校準與檢測。